1、第二章质量衡算与能量衡算 1Vq2VqVmq分离、反应 分析物质流迁移转化?某污染物生物降解输入量输出量降解量=积累量输入量1输入量2输出量降解量积累量第二节 质量衡算 一、衡算的基本概念用来分析质量迁移的特定区域，即衡算的空间范围环境设备或管道中一个微元体微分衡算一个反应池、一个车间，或者一个湖泊、一段河流、一座城市上方的空气，甚至可以是整个地球总衡算(一)衡算系统第二节 质量衡算 一、衡算的基本概念0t稳态流动的数学特征：当系统中流速、压力、密度等物理量只是位置的函数，不随时间变化，称为稳态系统；当上述物理量不仅随位置变化，而且随时间变化，称为非稳态系统。对于稳态过程，内部无物料积累 12
2、mm12mmqq第二节 质量衡算(二)稳态系统与非稳态系统一、衡算的基本概念输入速率输出速率转化速率=积累速率12ddmmm rmqqqt质量衡算的一般方程转化速率或反应速率单位时间因生物或化学反应而转化的质量。组分为生成物时为正值，质量增加单位时间：以某种元素或某种物质为衡算对象第二节 质量衡算(2.2.4)一、衡算的基本概念mrqk V(2.2.8)mrq污染物的生物降解经常被视为一级反应，即污染物的降解速率与其浓度成正比。假设体积V中可降解物质的浓度均匀分布，则 反应速率常数，s-1或d-1物质浓度负号表示污染物随时间的增加而减少体积反应速率第二节 质量衡算 各种情况下的质量衡算d0dm
3、t0mrq 稳态系统 非稳态系统 组分发生反应 组分不发生反应 以某组分为对象 以全部部分为对象 以总质量表示 以单位时间质量表示12rmmmm 12ddmmmqqt12ddmmmqqt12ddmmmrmqqqt12ddmmmrmqqqt12ddmmmrmqqqt12ddmmmrmqqqt120mmmrqqq第二节 质量衡算 二、总质量衡算12ddmmm rmqqqt质量衡算方程的应用 1、需要划定衡算的系统 2、要确定衡算的对象 3、确定衡算的基准 4、绘制质量衡算系统图 5、注意单位要统一划定衡算的系统确定衡算的对象某组分衡算的范围某组分，和全部组分单位时间，某时间段内，或一个周期总衡算和
4、微分衡算第二节 质量衡算 1Vq2VqVmq质量衡算系统图单位要统一第二节 质量衡算 1VqVmq2Vq12mmqq12ddmmmrmqqqt【例题1】一条河流的上游流量为10m3/s，氯化物的浓度为20mg/L，有一条支流汇入，流量为5m3/s，其氯化物浓度为40mg/L。视氯化物为不可降解物质，系统处于稳定状态，计算汇合点下游河水中的氯化物浓度，假设在该点流体完全混合。解：首先划定衡算系统，绘制质量平衡图 第二节 质量衡算(一)稳态非反应系统1VqVmq2Vq氯化物的输出速率为氯化物的输入速率为1122VVm Vmqqq11122mVVqqq2mm Vmqq12VmVVqqq112212V
5、VmVVqqqq第二节 质量衡算 0 0 1 1 2 2 4 4 3 31Vq3Vq4Vq2Vq0Vq【例题2】某污水处理工艺中含有沉淀池和浓缩池，沉淀池用于去除水中的悬浮物，浓缩池用于将沉淀的污泥进一步浓缩，浓缩池的上清液返回到沉淀池中。污水流量为5000m3/d，悬浮物含量为200mg/L，沉淀池出水中悬浮物浓度为20mg/L，沉淀污泥的含水率为99.8%，进入浓缩池停留一定时间后，排出的污泥含水率为96%，上清液中的悬浮物含量为100mg/L。假设系统处于稳定状态，过程中没有生物作用。求整个系统的污泥产量和排水量，以及浓缩池上清液回流量。污水的比重为1000kg/m3。？根据需要根据需要
6、划定衡算划定衡算的系统的系统第二节 质量衡算 已知0Vq=5000m3/d，0200mg/L，220mg/L，31(100-96)/(100/1000)40(g/L)40000(mg/L)4(100-99.8)/(100/1000)2(g/L)2000(mg/L)100mg/L污泥含水率为污泥中水和污泥总量的质量比，因此污泥中悬浮物含量为 第二节 质量衡算(1)求污泥产量 以沉淀池和浓缩池的整个过程为衡算系统，悬浮物为衡算对象，因系统稳定运行，输入系统的悬浮物量等于输出的量。输入速率001122VVVqqq100mVqq输出速率21122mVVqqq012VVVqqq1Vq2Vq=22.5(m
7、3/d)4977.5(m3/d)012431Vq3Vq4Vq2Vq0Vq第二节 质量衡算(2)浓缩池上清液量 取浓缩池为衡算系统，悬浮物为衡算对象污泥含水率从99.8降至96,污泥体积由472.5 m3/d减少为22.5m3/d,相差20倍。输入速率441133VVVqqq144mVqq输出速率21133mVVqqq413VVVqqq=450(m3/d)472.5(m3/d)4Vq3Vq012431Vq3Vq4Vq2Vq0Vq第二节 质量衡算 1Vq2VqVmq【例题2.2.3】一个湖泊的容积为10.0106m3。有一流量为5.0m3/s、污染物浓度为10.0mg/L的受污染支流流入该湖泊.同
8、时，还有一污水排放口将污水排入湖泊，污水流量为0.5m3/s，浓度为100mg/L。污染物的降解速率常数为0.20 d-1。假设污染物质在湖泊中完全混合，且湖水不因蒸发等原因增加或者减少。求稳态情况下流出水中污染物的浓度。解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物浓度等于流出水中的污染物浓度 120mmqqk Vm(二)稳态反应系统第二节 质量衡算 1Vq2VqVmq解：假设完全混合意味着湖泊中的污染物浓度等于流出水中的污染物浓度11122mVVqqq输入速率 输出速率212()mV mmVVqqqq 降解速率 mmrqk V 5331.0 105.5 1023.1 100第二节 质量衡算(二)稳态
9、反应系统【例题2.2.4】在一个大小为500m3的会议室里面有50个吸烟者，每人每小时吸两支香烟。每支香烟散发1.4mg的甲醛。甲醛转化为二氧化碳的反应速率常数为k0.40 h-1。新鲜空气进入会议室的流量为1000m3/h，同时室内的原有空气以相同的流量流出。假设混合完全，估计在25、1atm的条件下，甲醛的稳态浓度。并与造成眼刺激的起始浓度0.0510-6（体积分数）相比较。第二节 质量衡算 输入速率 输出速率降解速率 102m rqkV5021.4140mg/h 1mq10001000 mg/h 2mq120mmqqk V第二节 质量衡算 m1 2 z解：根据质量衡算方程【例题2.2.5
10、】一圆筒形储罐，直径为0.8m。罐内盛有2m深的水。在无水源补充的情况下，打开底部阀门放水。已知水流出的质量流量与水深Z的关系为20.274mqzkg/s，求经过多长时间后，水位下降至1m？12ddmmmqqt10mq20.274mqzzzAzm502100048.02kg/skgtzzdd502274.01020.274dd502tztz t=1518 s z1mq2mq第二节 质量衡算 12ddmt 0(2.2.3)(三)非稳态系统第二节 质量衡算（1）进行质量衡算的三个要素是什么？（2）简述稳态系统和非稳态系统的特征。（3）质量衡算的基本关系是什么？（4）以全部组分为对象进行质量衡算时，衡算方程具有什么特征？（5）对存在一级反应过程的系统进行质量衡算时，物质的转化速率如何表示？思考题
